CN109391047B - 异物检测方法、无线电力传输及控制装置 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及异物检测方法、无线电力传输及控制装置。一种用于检测用于无线电力传输(WPT)的发送垫与接收垫之间的异物的方法可以包括：由处理器对被包括在或被连接到发送垫的电力传输转换器执行零相位角(ZPA)控制；由处理器检测电力传输转换器的输入电流与输入电压之间的相位差；以及由处理器通过将相位差与参考值进行比较来确定发送垫与接收垫之间是否存在异物。

Description

异物检测方法、无线电力传输及控制装置
相关申请的交叉引证
本申请要求于2017年8月10日提交的韩国专利申请第10-2017-0101797号的优先权的权益，其全部内容出于所有目的通过引证结合于此。
技术领域
本公开涉及一种用于检测异物的方法、无线电力传输(WPT)控制装置以及使用该装置的WPT装置，并且更具体地，涉及一种用于检测WPT的发送垫与接收垫之间的异物的方法、WPT控制装置和使用该装置的WPT装置。
背景技术
电动车辆(EV)充电系统基本上可以定义为通过使用能量存储装置的电力或商用电源的电网对安装在EV上的高压电池进行充电的系统。根据EV的类型，这种EV充电系统可以具有各种形式。例如，EV充电系统可以分类成使用充电电缆的导电型和非接触式无线电力传输(WPT)型(也称为“感应型”)。
在使用WPT系统进行感应型充电的情况下，当要给安装在EV上的高压电池充电时，可将EV定位至位于充电站或能够进行EV充电的充电点的地面组件(GA)。
特别是，磁感应型WPT系统使用GA中的发送线圈与车辆组件中的接收线圈之间的电磁感应现象传输电力。当给EV充电时，安装在EV上的VA中的接收线圈与位于充电站或充电点中的GA中的发送线圈形成感应谐振耦合，并使用从GA通过感应谐振耦合传输的电力对EV中的电池充电。
然而，当发送线圈与接收线圈之间存在可能会影响磁场的异物(诸如，金属或磁性材料)时，对WPT系统的谐振网络存在直接影响，从而导致系统异常操作或者电力传输效率降低。此外，由于存在异物，异物的温度可能会急剧上升，从而引起系统稳定性的问题。
发明内容
本公开的实施方式提供一种用于检测WPT的发送垫与接收垫之间的异物的方法。
本公开的实施方式还提供一种使用检测异物的方法的WPT控制装置。
本公开的实施方式还提供一种包含WPT控制装置的WPT装置。
根据本公开的示例性实施方式，一种用于检测用于无线电力传输(WPT)的发送垫与接收垫之间的异物的方法可以包括：由处理器对包括在或连接到发送垫的电力传输转换器执行零相位角(ZPA)控制；由处理器检测电力传输转换器的输入电流与输入电压之间的相位差；以及由处理器通过将相位差与参考值进行比较来确定发送垫与接收垫之间是否存在异物。
可以使用其间输入电流和输入电压具有不同极性的时间间隔长度获得所述相位差。
确定可以进一步包括：将其间输入电流和输入电压具有不同极性的时间间隔的长度与第一参考值进行比较；以及当时间间隔的长度超过第一参考值时，确定发送垫与接收垫之间存在异物。
可以使用其间输入电流和输入电压具有相同极性的时间间隔的长度获得相位差。
确定可以进一步包括：将其间输入电流和输入电压具有相同极性的时间间隔的长度与第二参考值进行比较；以及当时间间隔的长度小于第二参考值时，确定发送垫与接收垫之间存在异物。
当对电力传输转换器执行ZPA控制并且发送垫与接收垫之间不存在异物时，其间输入电流和输入电压具有不同极性的时间间隔的长度的值变为零。
方法可以进一步包括响应于确定发送垫与接收垫之间存在异物而控制电力传输转换器使WPT停止。
ZPA控制可以是使得电力传输转换器的输入电压和输入电流同相的控制。
根据本公开的另一实施方式，无线电力传输(WPT)控制装置可以包括存储器和至少一个处理器，存储器存储由至少一个处理器执行的至少一个指令。至少一个指令可以使得至少一个处理器执行以下操作：对包括在或连接到发送垫的电力传输转换器执行零相位角(ZPA)控制；检测电力传输转换器的输入电流与输入电压之间的相位差；以及通过将相位差与参考值进行比较来确定WPT的发送垫与接收垫之间是否存在异物。
可以使用其间输入电流和输入电压具有不同极性的时间间隔的长度获得相位差。
可以将其间输入电流和输入电压具有不同极性的时间间隔的长度与第一参考值进行比较，并且当时间间隔的长度超过第一参考值时，发送垫与接收垫之间可能存在异物。
可以使用其间输入电流和输入电压具有相同极性的时间间隔的长度获得相位差。
可以将其间输入电流和输入电压具有相同极性的时间间隔的长度与第二参考值进行比较，并且当时间间隔的长度小于第二参考值时，发送垫与接收垫之间可能存在异物。
当对电力传输转换器执行ZPA控制并且发送垫与接收垫之间不存在异物时，其间输入电流和输入电压具有不同极性的时间间隔的长度的值变为零。
至少一个处理器可以进一步被配置为：响应于确定发送垫与接收垫之间存在异物而控制电力传输转换器使WPT停止。
根据本公开的另一实施方式，无线电力传输(WPT)装置可以包括：电力传输转换器，包括在或者连接到用于WPT的发送垫，电力传输转换器以感应电力传输(IPT)方式将输入电压转换为输出电压，并且输出输出电压；至少一个处理器；以及存储器，存储由至少一个处理器执行的至少一个指令。至少一个指令可以使得至少一个处理器：对电力传输转换器执行零相位角(ZPA)控制；检测电力传输转换器的输入电流与输入电压之间的相位差；并且通过将相位差与参考值进行比较来确定WPT的发送垫与接收垫之间是否存在异物。
可以使用其间输入电流和输入电压具有不同极性的时间间隔的长度获得相位差。
可以将其间输入电流和输入电压具有不同极性的时间间隔的长度与第一参考值相比较；并且当时间间隔的长度超过第一参考值时，发送垫与接收垫之间可能存在异物。
可以使用其间输入电流和输入电压具有相同极性的时间间隔的长度获得相位差。
可以将其间输入电流和输入电压具有相同极性的时间间隔的长度与第二参考值进行比较；并且当时间间隔的长度小于第二参考值时，发送垫与接收垫之间可能存在异物。
使用如上所述根据本公开的实施方式的异物检测方法、WPT控制装置、以及WPT装置，可以检测WPT的发送垫与接收垫之间的异物而不增加任何硬件。此外，在WPT装置的操作期间可以检测到诸如金属的异物。
附图说明
通过参照附图详细地描述本公开的实施方式，本公开的实施方式将会变得更显而易见，在附图中：
图1是示出应用了本公开的实施方式的无线电力传输(WPT)的概念的概念图；
图2是用于说明根据本公开的实施方式的EV WPT中的对准概念的概念图；
图3是示出根据本公开的实施方式的WPT电路的概念图；
图4是示出应用了本公开的实施方式的感应电力传输(IPT)转换器的详细电路图；
图5是用于说明IPT转换器的准ZPA控制方法的流程图；
图6A是示出在正常的情况下IPT转换器中的输入电流和输入电压的波形的曲线图，以及图6B是示出在正常的情况下在次级线圈处感应的输出电压和电流的波形的曲线图；
图7A是示出在存在异物的情况下IPT转换器的输入电流和输入电压的波形的曲线图，以及图7B是示出在存在异物的情况下在次级线圈处感应的输出电压和电流的波形的曲线图；
图8是示出在正常的情况下IPT转换器的输入电压与输入电流之间的关系的曲线图；
图9是示出在存在异物的情况下IPT转换器的输入电压与输入电流之间的关系的曲线图；
图10是用于说明根据本公开的实施方式的检测发送线圈与接收线圈之间的异物的方法的流程图；
图11是用于说明根据本公开的另一实施方式的检测发送线圈与接收线圈之间的异物的方法的流程图；以及
图12是示出根据本公开的实施方式的WPT装置的框图。
应当理解，上面提及的附图不一定按比例绘制，附图呈现说明本公开的基本原理的各种优选特征的稍微简化的表示。本公开的具体设计特征，包括例如特定尺寸、方位、位置和形状，将部分地由特定的预期应用和使用环境来确定。
具体实施方式
本文公开了本公开的实施方式。本文中公开的具体结构和功能细节仅仅表示描述本公开的实施方式的目的，然而，本公开的实施方式可以体现在多种可替换的形式中并且不应解释为限制于在此阐明的本公开的实施方式。在描述各个附图时，相同的附图标记表示相同的元件。
将理解的是，尽管术语“第一”、“第二”等可以在本文中用于描述各种部件，但是这些部件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个元件与另一元件。例如，在不脱离本公开的范围的情况下，第一部件可以被指定为第二部件，并且类似地，第二部件可以被指定为第一部件。术语“和/或”包括一个所列相关项的任何和所有组合。
将理解的是，当部件被称为“连接到”另一部件时，可以直接或间接连接到另一部件。即，例如，可以存在中间部件。相反，当部件被称为“直接连接到”另一部件时，将会理解，不存在中间部件。
术语在本文中仅用于描述实施方式，而不是限制本公开。除非在上下文中另有定义，否则单数表达还包括复数表达。在本说明书中，术语“包括”或“具有”用于指定存在说明书中公开的特征、数量、步骤、操作、元件、部件或其组合，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、数量、步骤、操作、元件、部件或其组合的可能性。
除非另有定义，否则所有术语(包括技术或科学术语)具有本领域普通技术人员通常理解的相同含义。应当理解，通常使用的字典中定义的术语被解释为包括与现有技术的上下文含义相同的含义，除非在本说明书中另有定义，否则不被解释为理想的或过度的含义。
本公开中使用的术语定义为如下。
“电动车辆EV”：49CFR 523.3中定义的用于高速公路使用的汽车，由从诸如电池的车载蓄能装置中汲取电流的电动机驱动，该车载蓄能装置可从非车载源(诸如住宅或公共电力服务或车载燃料发电机)再充电。EV可以是为了主要在公共街道、道路上使用而制造的四轮或更多轮车辆。
EV可以被称为电动汽车、电动车辆、电动道路车辆(ERV)、插电式车辆(PV)、插电式车辆(xEV)等，并且xEV可以被分类为插电式全电动车辆(BEV)、电池电动车辆、插电式电动车辆(PEV)、混合电动车辆(HEV)、混合动力插电式电动车辆(HPEV)、插电式混合电动车辆(PHEV)等。
“插电式电动车辆PEV”：通过连接到电网对车载初级电池再充电的电动车辆。
“插电式车辆PV”：无需物理插头或物理插座，通过从电动车辆供应设备(EVSE)无线充电而可再充电的电动车辆。
“重型车；H.D.车辆”：如49CFR 523.6或49CFR 37.3(总线)中定义的任何四轮或更多轮车辆。
“轻型插电式电动车辆”：由从可再充电蓄电池或其他能量设备中汲取电流的电动机驱动的三轮或四轮车辆，主要用于公共街道、道路和高速公路上，并且车辆总重量额定为小于4，545公斤。
“无线充电系统WCS”：用于GA与VA之间的无线电力传输和控制(包括对准和通信)的系统。该系统通过两部分松耦合变压器将能量从电力供应网络电磁传输到电动车辆。
“无线电力传输WPT”：通过非接触式方式从AC供应网络到电动车辆的电力传输。
“公共设施”：一套提供电能并且包括客户信息系统(CIS)、高级计量基础设施(AMI)、费率和收入系统等的系统。该公共设施可以通过费率表(rate table)和离散事件为EV提供能量。此外，该公共设施可以提供关于EV的认证、功耗测量的间隔和关税的信息。
“智能充电”：EVSE和/或PEV与电网通信以便通过反映电网容量或使用费用来优化EV的充电比例或放电比例的系统。
“自动充电”：在车辆位于与能够传输电力的初级充电器组件相对应的适当位置之后，自动执行感应充电的过程。可以在获得必要的认证和权限之后执行自动充电。
“互操作性”：系统的部件与系统的对应部件相互配合以执行系统所针对的操作的状态。此外，信息互操作性可以表示两个或更多个网络、系统、装置、应用或部件可以有效地共享和容易地使用信息而不会给用户带来不便的能力。
“感应充电系统”：通过两部分间隙的铁芯变压器将能量从电源向EV传输的系统，其中，变压器的两半，即初级和次级线圈在物理上彼此分离。在本公开中，感应充电系统可以对应于EV电力传输系统。
“感应耦合器”：由GA线圈中的线圈和VA线圈中的线圈形成的变压器，允许电力通过电隔离传输。
“感应耦合”：两个线圈之间的磁耦合。在本公开中，是GA线圈与VA线圈之间的耦合。
“地面组件GA”：基础设施侧的组件，包括GA线圈、电力/频率转换单元和GA控制器、以及来自电网并且在每个单元、滤波电路、壳体等之间的接线，是用作无线充电系统的电源所必需的。GA可以包括在GA与VA之间通信所必需的通信元件。
“车辆组件VA”：车辆上的组件，包括VA线圈、整流器/电力转换单元和VA控制器、以及到车辆电池并且在每个单元、滤波电路、壳体等之间的接线，是用作无线充电系统的电源所必需的。VA可以包括在VA与GA之间通信所必需的通信元件。
GA可以被称为初级装置(PD)，并且VA可以被称为次级装置(SD)。
“初级装置”：提供与次级装置的非接触式耦合的设备。即，初级装置可以是EV外部的设备。当EV正在接收电力时，初级装置可以用作要传输的电力的来源。初级装置可以包括壳体和所有盖。
“次级装置”：安装在EV上的设备，提供与初级装置的非接触耦合。即，次级装置可以设置在EV中。当EV正在接收电力时，次级装置可以将电力从初级装置传输到EV。次级装置可以包括壳体和所有盖。
“GA控制器”：GA的一部分，基于来自车辆的信息调节到GA线圈的输出电力电平。
“VA控制器”：VA的一部分，在充电期间监测特定车载参数并开始与GA的通信以控制输出电力电平。
GA控制器可以被称为初级装置通信控制器(PDCC)，并且VA控制器可以被称为电动车辆通信控制器(EVCC)。
“磁间隙”：绞合线的顶部和GA线圈中磁性材料的顶部中的较高的平面与绞合线的底部和VA线圈中磁性材料的底部中的较低的平面在对准时二者之间的垂直距离。
“环境温度”：在所考虑的子系统中而不是在阳光直射下测量的空气的地面温度。
“车辆离地间隙”：地面与车辆底盘的最低部分之间的垂直距离。
“车辆磁性离地间隙”：绞合线的底部和安装在车辆上的VA线圈中的磁性材料的底部中的较低的平面与地面之间的垂直距离。
“VA线圈磁性表面距离”：当安装时，最近的磁性或导电部件表面的平面与VA线圈的下外表面之间的距离。该距离包括可以封装在VA线圈壳体中的任何防护罩和附加物品。
VA线圈可以被称为次级线圈、车辆线圈或接收线圈。类似地，GA线圈可以被称为初级线圈或发送线圈。
“暴露的导电部件”：可以被触摸并且通常不通电但在故障情况下可以变为通电的电气设备(例如，电动车辆)的导电部件。
“有害有源部件”：在一定条件下可能会引起有害电击的有源部件。
“有源部件”：正常使用时要电力通电的导体或导电部件。
“直接接触”：人员与有源部件的接触(见IEC 61440)。
“间接接触”：人员与由于绝缘故障而使之带电的暴露的、导电的和通电的部件的接触(见IEC 61140)。
“对准”：找到初级装置对次级装置的相对位置和/或找到次级装置对初级装置的相对位置以用于指定的有效电力传输的过程。在本公开中，对准可以指向无线电力传输系统的精细定位。
“配对”：车辆与唯一的专用初级装置相关联的过程，在该装置所在的位置处并且从该装置将传输电力。配对可以包括充电点的VA控制器和GA控制器相关联的过程。相关/关联过程可以包括在两个对等通信实体之间建立关系的过程。
“命令和控制通信”：EV供电设备与EV之间的通信，交换启动、控制和终止WPT的过程所必需的信息。
“高级通信(HLC)”：HLC是一种特殊的数字通信。HLC对于命令和控制通信未覆盖的附加服务是必需的。HLC的数据链路可以使用电力线通信(PLC)，但不限于此。
“低电力激励(LPE)”：LPE是指激活初级装置以用于精细定位和配对的技术，以便EV可以检测初级装置，反之亦然。
“服务集标识符(SSID)”：SSID是包括连接到在无线LAN上所发送的数据包的报头的32个字符的唯一标识符。SSID识别无线装置尝试连接的基本服务集(BSS)。SSID区分了多个无线LAN。因此，想要使用特定无线LAN的所有接入点(Ap)和所有终端/站装置都可以使用相同的SSID。不使用唯一SSID的装置无法加入BSS。由于SSID显示为纯文本，因此可能不向网络提供任何安全特征。
“扩展服务集标识符(ESSID)”：ESSID是一方想要连接到的网络的名称。它类似于SSID，但可以是一个更广泛的概念。
“基本服务集标识符(BSSID)”：包括48位的BSSID用于区分特定的BSS。在基础设施BSS网络的情况下，BSSID可以是AP设备的媒体访问控制(MAC)。对于独立的BSS或自组织网络，可以使用任何值生成BSSID。
充电站可以包括至少一个GA和被配置为管理至少一个GA的至少一个GA控制器。GA可以包括至少一个无线通信装置。充电站可以表示具有至少一个GA的地方，该GA设置在家庭、办公室、公共场所、道路、停车区等中。
另外，应当理解，下面的一个或多个方法或其方面可以由至少一个控制器执行。术语“控制器”可以指包括存储器和处理器的硬件装置。存储器被配置为存储程序指令，并且处理器被专门编程以执行程序指令，从而执行下面进一步描述的一个或多个过程。此外，应理解的是，如本领域普通技术人员将会理解的，以下方法可以由包括控制器的设备结合一个或多个其他部件来执行。
在根据本公开的实施方式中，轻负载驱动或轻负载操作可以包括例如在对连接至WPT系统中的VA的高压电池进行充电的后一半充电中，用低于预定额定电压的充电电压对高压电池进行充电。另外，轻负载操作可以包括以相对低的电压和通过使用低速充电器(诸如，家用充电器)以低速对EV的高压电池进行充电的情况。
在下文中，将通过参照附图详细地说明根据本公开的实施方式。
图1是示出应用了本公开的实施方式的无线电力传输(WPT)的概念的概念图。
参照图1，WPT可以由电动车辆(EV)10的至少一个部件和充电站13执行，并且可以用于将电力无线地传输到EV10。
此处，EV10可以被定义为提供存储在包括电池12的可再充电能量存储装置中的电力作为电动机(作为EV10的传动系统)的能量源的车辆。
然而，根据本公开的实施方式的EV10可以包括具有电动机和内燃发动机的混合电动车辆(HEV)，并且不仅可以包括汽车，还可以包括摩托车、推车、踏板车和电动自行车。
EV10可以包括含有用于对电池12无线充电的接收线圈的功率接收垫11，并且可以包括用于对电池12导电充电的插头连接。此处，被配置为对电池导电充电的EV10可以被称为插电式电动车辆(PEV)。
此处，充电站13可以连接到电网15或电力主干，并且可以通过电力链路向包括发送线圈的功率发送垫14提供交流(AC)电力或直流(DC)电力。
充电站13可以通过有线/无线通信与管理电网15或电力网络的基础设施管理系统或基础设施服务器进行通信，并且与EV10执行无线通信。
此处，无线通信可以是蓝牙、Zigbee、蜂窝、无线局域网(WLAN)等。
例如，充电站13也可以位于各种地方，包括EV10的业主房屋附带的停车区、在加油站为EV充电的停车区、购物中心或者工作场所的停车区。
对EV10的电池12无线充电的过程可以开始于首先将EV10的功率接收垫11放置在由充电站13的功率发送垫14生成的能量场中，并且使接收线圈和发送线圈相互作用或耦合。由于相互作用或耦合，功率接收垫11中可以感应出电动势，并且电池12可以通过感应的电动势充电。
充电站13和功率发送垫14可以被全部或部分地称为地面组件(GA)，其中，GA可以参考先前定义的含义。
EV10的内部组件和功率接收垫11的全部或部分可以被称为车辆组件(VA)，其中，VA可以参考先前定义的含义。
此处，功率发送垫14或功率接收垫11可以被配置为非极化或极化。
在非极化垫的情况下，在垫的中心具有一个极性，并且在外围具有相反的极性。此处，可以形成从垫的中心离开并完全返回到垫的外部边界的通量。
在极化垫的情况下，可以在垫的任一端部具有相应的极性。此处，可以基于垫的方位来形成磁通量。
图2是用于说明根据本公开的实施方式的EV WPT中的对准概念的概念图。
参照图2，将描述在图1的EV中对准功率发送垫14和功率接收垫11的方法。此处，位置对准可以对应于上述术语对准，并且因此，可以被定义为GA与VA之间的位置对准，但不限于发送垫和接收垫的对准。
虽然如图2所示功率发送垫14被示出为位于地面下方，但是功率发送垫14也可以位于地面上，或者被定位成使得功率发送垫14的顶部表面暴露在地面下方。
EV的功率接收垫11可以根据从地面测量的其高度(在z方向上限定)通过不同类别来定义。例如，可以定义类别1为具有距离地面高度100至150毫米(mm)的接收垫、类别2为具有高度140至210mm的接收垫、以及类别3为具有高度170至250mm的接收垫。此处，接收垫可以支持上述类别1到3的一部分。例如，可以根据功率接收垫11的类型来仅支持类别1，或者可以根据功率接收垫11的类型来支持类别1和2。
此处，从地面测量的接收垫的高度可以对应于先前定义的术语“车辆磁性离地间隙”。
此外，功率发送垫14在高度方向(即，定义为z方向)的位置可以被确定为位于由功率接收垫11支持的最大类别与最小类别之间。例如，当接收垫仅支持类别1和类别2时，功率发送垫14的位置可以确定为相对于功率接收垫11在100与210mm之间。
更进一步地，可以确定功率发送垫14的中心与功率接收垫11的中心之间的间隙，以位于水平和垂直方向(定义为x和y方向)的限度内。例如，可以将间隙确定为位于水平方向(定义为x方向)的±75mm内，并且位于垂直方向(定义为y方向)的±100mm内。
此处，功率发送垫14与功率接收垫11的相对位置可以根据其实验结果而变化，并且数值应被理解为示例性的。
图3是示出根据本公开的实施方式的WPT电路的概念图。
参照图3，可以看出在EV WPT系统中执行WPT的电路的示意性配置。
此处，图3的左侧可以解释为表示从图1中的电力网络、充电站13和功率发送垫14提供的电源Vsrc的全部或部分，并且图3的右侧可以解释为表示包括接收垫和电池的EV的全部或部分。
首先，图3的左侧电路可以提供与从电力网络提供到初级侧功率转换器的电源Vsrc相对应的输出功率Psrc。初级侧功率转换器可以通过频率转换和AC-到-DC/DC-到-AC转换提供从输出功率Psrc转换的输出功率P1，以在发送线圈L1中以期望的工作频率生成电磁场。
具体地，初级侧功率转换器可以包括用于将作为从电力网络提供的AC电力的功率Psrc转换为DC电力的AC/DC转换器，以及用于将DC电力转换为具有适合于无线充电的工作频率的AC电力的低频(LF)转换器。例如，用于无线充电的工作频率可以被确定在80到90kHz内。
从初级侧功率转换器输出的功率P1可以被再次提供到包括发送线圈L1、第一电容器C1和第一电阻器R1的电路。此处，可以将第一电容器C1的电容确定为具有适合于与发送线圈L1一起充电的工作频率的值。此处，第一电阻器R1可以表示由发送线圈L1和第一电容器C1产生的电力损耗。
此外，可以使发送线圈L1与接收线圈L2具有由耦合系数m定义的电磁耦合，使得电力P2被发送或在接收线圈L2中感应到功率P2。因此，本公开中的电力传输的含义可以与电力感应的含义一起使用。
更进一步地，在接收线圈L2中感应出的或传输到接收线圈L2的功率P2可以提供到次级侧功率转换器。此处，可以将第二电容器C2的电容确定为具有适合于与接收线圈L2一起进行无线充电的工作频率的值，并且第二电阻器R2可以表示由接收线圈L2和第二电容器C2产生的功率损耗。
次级侧功率转换器可以包括LF/DC转换器，LF/DC转换器将所提供的特定工作频率的功率P2转换成具有适合于EV的电池VHV的电压电平的DC电力。
可以输出从提供到次级侧功率转换器的功率P2所转换的功率PHV，并且可以使用功率PHV来为设置在EV中的电池VHV充电。
此处，图3的右侧电路可以进一步包括用于选择性地将接收线圈L2与电池VHV连接或断开的开关。此处，发送线圈L1和接收线圈L2的谐振频率可以彼此相似或相同，并且接收线圈L2可以位于发送线圈L1生成的电磁场附近。
此处，图3的电路应理解为用于本发明的实施方式的EV WPT系统中的WPT的说明性电路，并非限于图3所示的电路。
另一方面，由于当发送线圈L1和接收线圈L2位于远距离时功率损耗可能增加，所以适当地设定发送线圈L1和接收线圈L2的相对位置可能是重要的因素。
此处，发送线圈L1可以包括在图1中的功率发送垫14中，接收线圈L2可以包括在图1中的功率接收垫11中。因此，下面将参照附图描述发送垫与接收垫之间的定位或EV与发送垫之间的定位。
图4是示出应用了本公开的实施方式的感应电力传输(inductive powertransfer，IPT)转换器的详细电路图。
在图4中示出的IPT转换器可以是LCCL-S类转换器电路，并且可以是能够应用于本公开的实施方式的各种电力传输转换器电路的实例。
在图4中示出的IPT转换器可以主要被配置为包括AC逆变器410、谐振回路420、以及整流器电桥430。IPT转换器能够：以IPT方式将输入电压Vin转换为输出电压Vo、将输出电压Vo传输给电池、以及在零相位角(zero phase angle，ZPA)条件下对电池进行恒定电流/恒压电压充电。
AC逆变器410可以是包含四个开关的电路。AC逆变器410可以根据第一开关至第四开关的切换操作将DC形式的输入电压Vdc_link转换为AC形式的电压Vin，并且将所转换的AC电压传输到谐振回路420。
谐振回路420可以分成初级谐振回路和次级谐振回路。初级谐振回路可以连接到AC逆变器410并且次级谐振回路可以连接到整流器电桥430，以通过初级谐振回路与次级谐振回路之间的IPT执行电压转换。
具体地，初级谐振回路可以包括初级谐振电感器Lin和初级谐振电容器Cf和Cp。在此，谐振电容器Cf和Cp可以彼此串联地连接到初级线圈Lp。初级谐振回路可实现在连接构成AC逆变器410的一对腿部的输入电压线上。即，初级谐振电感器Lin和谐振电容器Cp的一端可以连接到AC逆变器410。
次级谐振回路可以包括次级谐振电容器Cs，并且次级谐振电容器Cs可以连接到次级线圈Ls。次级谐振回路可以实现在连接构成整流器电桥430的一对腿部的输出电压线上。
为了使在图4中示出的IPT转换器电路的额定电压-电流(VA)最小化，需要执行ZPA控制使得输入电压Vin和输入电流Iin同相。
图5是用于说明IPT转换器的准ZPA控制方法的流程图。
参照图5，当开始准ZPA时(S501)，可以感应IPT转换器的输入电流Iin(S502)。可以随着时间连续执行输入电流的感应，从而导出输入电流的移动平均值Iin_avg(S503)。
当导出输入电流的移动平均值Iin_avg时，可以通过将移动平均值与输入电流的上限值和下限值进行比较来调节切换频率。更具体地，当输入电流的移动平均值Iin_avg超过上限值IH_bound时(S511)，可以减小切换频率f(S521)。此处，减小切换频率可以意味着增大锯齿形式的载波信号的峰值Carrpeak。在图4中示出的IPT转换器中，通过比较锯齿波(即，载波信号的波)与参考波，可以在数字信号处理器(digital signal processor，DSP)中生成针对开关的栅极信号，并且可以用Carrpeak表示锯齿波的最大值。
另一方面，当输入电流的移动平均值Iin_avg小于下限值IL_bound时，可以增大切换频率(S522)。此处，增大切换频率可以意味着减小锯齿形式的载波信号的峰值Carrpeak。
如果输入电流的移动平均值Iin_avg未超过上限值IH_bound并且不小于下限值IL_bound，即，如果输入电流的移动平均值Iin_avg在上限值与下限值之间，则可以保持切换频率f(S523)。
当完成上述频率调节过程时，可以确定电流的移动平均值Iin_avg是否小于IZCS(S531)。如果电流的移动平均值Iin_avg小于IZCS，则可以检查电池充电是否完成(S541)，并且可以反复执行上述步骤(S502至S541)直至完成电池充电。当完成电池充电时，则可以停止WPT(S551)。
另一方面，如果在频率调节过程完成之后电流的移动平均值Iin_avg高于或等于IZCS，则可以停止WPT(S551)。在此，IZCS可以指执行零电流切换(ZCS)操作的电流感测点的电流值。根据输入电压Vin与输入电流Iin(是谐振电流)之间的相位差，可以发生零电压切换(ZVS，电流相位滞后)和零电流切换(ZCS，电流相位超前)。为了使WPT系统正常操作，应当执行ZVS操作。当在电流感测点的Iin的幅值大于0时，可以指执行ZCS操作，并且因此WPT可以停止。IZCS可具有预设阈值，例如，1A的值。
在参照图5阐述的传统ZPA控制的情况下，检测输入电压和输入电流的相位，并且通过对切换频率的可变控制执行ZPA操作。当IPT转换器到达稳定状态时，切换频率可以被固定为恒定值，并且因诸如负载变动的因素而产生的频率波动幅度小。
图6A是示出在正常的情况下在IPT转换器中的输入电流和输入电压的波形的曲线图，以及图6B是示出在正常的情况下在次级线圈感应的输出电压和电流的波形的曲线图。
图6A示出在正常的情况下IPT转换器的输入电压Vin与初级谐振回路中的初级线圈的谐振电流Ip之间的关系。脉冲整形信号表示输入电压Vin，正弦波信号表示谐振电流Ip。在此，正常情况可以指发送线圈与接收线圈之间没有异物介入的情况。
参照图6A，可以看出输入电压Vin与谐振电流Ip之间出现相位差。即，在图6A中示出的输入电压和谐振电流表示未完全执行ZPA控制的IPT转换器的输入电压和谐振电流。如果在发送线圈与接收线圈之间不存在异物的条件下执行ZPA控制，输入电压与谐振电流之间可能不会出现相位差。
图6B示出在正常的情况下在次级线圈处感应的输出电压Vo,ac与电流Is之间的关系。
图7A是示出在存在异物的情况下IPT转换器的输入电流和输入电压的波形，以及图7B是示出在存在异物的情况下在次级线圈处感应的输出电压和电流的波形的曲线图。
图7A中示出的曲线图是与图6A相比较的曲线图，图7A中的曲线图示出在发送线圈与接收线圈之间存在可能影响磁场的异物(诸如，金属或磁性材料)的情况下输入电压与输出电压之间的关系。
图7A示出当异物介入时IPT转换器的输入电压Vin与谐振回路的初级线圈的谐振电流Ip之间的关系。脉冲整形信号表示输入电压Vin，并且正弦波信号表示谐振电流Ip。图7B示出当异物介入时输出电压Vo,ac与在次级线圈处感应的电流Is之间的关系。
可以看出输入电压Vin与谐振电流Ip之间的相位差与在正常的情况下的输入电压与谐振电流之间的相位差/>不同。即，当将图6A的曲线图与图7A的曲线图相比较时，可以看出由于在发送线圈与接收线圈之间介入的异物，输入电压与谐振电流之间的相位差已改变。
即，当发送线圈与接收线圈之间存在异物时，磁通量可能会改变并且线圈之间的谐振网络的参数值也可能会改变。根据不同的变量(诸如，异物的物理性能和尺寸)，改变的程度可能是不同的。因此，当在IPT转换器的正常操作过程中异物进入发送线圈与接收线圈之间时，传输侧谐振网络的输入电压与输入电流之间的相位差可能会被改变。
在这种情况下，通过根据ZPA控制而改变的电流相位来控制切换频率，可以匹配输入电压与输入电流的相位。
图8是示出在正常的情况下IPT转换器的输入电压与输入电流之间的关系的曲线图。
在图8的曲线图中，tT表示信号周期，输入电压Vin是脉冲整形信号，并且输入电流Iin是正弦波信号。如图8中所示，可以看出在异物不存在的理想条件下，输入电压与输入电流完全同相。
图8的下半部分中示出的VFOD信号具有“高(H)”或“低(L)”的值作为指示输入电压的极性和输入电流的极性的比较结果的值，即通过对极性的与(AND)门运算获得的值。在理想的条件下，信号VFOD一直是“高(H)”的，因为输入电压和输入电流同相并且具有相同的极性，使得对它们极性的与(AND)运算一直是“1”的逻辑值。
图9是示出在存在异物的情况下IPT转换器的输入电压与输入电流之间的关系的曲线图。
在图9的曲线图中，输入电压Vin是脉冲整形信号，并且输入电流Iin是正弦波信号。可以看出图9中示出的输入电压和输入电流不是完全同相，这是由于在发送线圈与接收线圈之间有异物介入。
即，在输入电压Vin与输入电流Iin之间产生了时间间隔ta期间的相位差。输入电流和输入电压在ta的时间间隔中具有不同的极性，并且输入电流和输入电压仅在时间间隔tb中具有相同的极性，时间间隔tb是整个周期(即，ta+tb)中除时间间隔ta以外的时间间隔。
因此，输入电压的极性与输入电流的极性的比较结果，即通过对极性的与(AND)门运算获得的值，该值在时间间隔ta期间可以是“低(L)”的并且在时间间隔tb期间可以是“高(H)”的，如图9的下半部分中所示。
在本公开的实施方式中，通过使用存在异物时出现的输入电流与输入电压之间的相位差来检测异物。
图10是用于说明根据本公开的实施方式的检测发送线圈与接收线圈之间的异物的方法的流程图。
可以通过根据本公开的WPT控制装置执行参照图10说明的异物检测方法，但执行方法的实体不限于WPT控制装置。
在本实施方式中，执行ZPA控制(S1010)，并且可以通过ZPA控制初始地设置正常状态(S1020)。在此，根据本实施方式的正常状态可以指输入电流与输入电压之间的相位差具有零的值或接近零的值的状态，如图9的曲线图所示。即，正常状态还可以指其中间隔ta的长度具有零的值或接近零的值的状态。
此后，可以实时检测输入电流与输入电压之间的相位差以执行异物检测(FOD)(S1030)。在此，输入电流和输入电压是施加于发送垫的输入电流和输入电压。
可以将检测相位差ta与作为预定时间值的阈值α相比较(S1040)。如果相位差ta超过阈值α，则可以确定发送线圈与接收线圈之间存在异物，并且WPT可以停止。另一方面，如果相位差ta小于或等于阈值α，则可以确定发送线圈与接收线圈之间不存在异物，并且WPT可以继续(S1050)。
图9的曲线图示出当输入电流和输入电压的极性彼此不同时的间隔为ta(即，当通过对它们的极性的与(AND)运算得到的VFOD为“低(L)”时的间隔)。因此，当理想地执行ZPA控制时，ta具有零的值或接近零的值，并且当异物引起相位差时，ta具有超过阈值的值。
总之，如果在根据本公开的IPT转换器达到正常状态之后ta的值大于预定时间值，则可以确定发送线圈与接收线圈之间存在异物，并且WPT可以停止。
图11是用于说明根据本公开的另一实施方式检测发送线圈与接收线圈之间的异物的方法的流程图。
同样，在本实施方式中，执行ZPA控制(S1101)，并且可以通过ZPA控制初始地设置正常状态(S1102)。在此，根据本实施方式的正常状态可以指其中间隔tb等于或接近于tT的一半(即，0.5×tT)的状态。
此后，可以实时检测输入电流与输入电压之间的相位差以执行异物检测(FOD)(S1103)。在此，输入电流和输入电压是施加于发送垫的输入电流和输入电压。
可以将间隔tb与作为预定时间值的阈值β相比较(S1104)。如果tb小于阈值β，则可以确定发送线圈与接收线圈之间存在异物，并且WPT可以停止。另一方面，当间隔tb大于或等于阈值β时，则可以确定发送线圈与接收线圈之间不存在异物，并且WPT可以继续(S1105)。
图9的曲线图示出当输入电流和输入电压的极性彼此相同时的间隔为tb(即，当通过对它们的极性的与(AND)运算获得的VFOD为“高(H)”时的间隔)。因此，当理想地执行ZPA控制时，tb具有0.5×tT的值或接近0.5×tT的值，并且当异物引起相位差时，tb具有比0.5×tT小很多的值。
总之，如果tb的值小于根据本公开的IPT转换器达到正常状态之后的预定时间值(例如，0.5×tT)，则可以确定发送线圈与接收线圈之间存在异物，并且WPT可以停止。
图12是示出根据本公开的实施方式的WPT装置的框图。
参照图12，根据本公开的实施方式的WPT装置可以包括IPT转换器400和WPT控制装置200。
WPT控制装置200可以包括至少一个处理器210和用于存储由至少一个处理器执行的至少一个指令的存储器220。
根据本公开的一个实施方式的存储在存储器220中的至少一个指令可以使得至少一个处理器210：执行IPT转换器的ZPA控制、检测IPT转换器的输入电流与输入电压之间的相位差、以及通过比较该相位差与阈值来确定发送线圈与接收线圈之间是否存在异物。
根据本公开的实施方式的方法可以实现为可由各种计算机执行并记录在计算机可读介质上的程序指令。计算机可读介质可以包含程序指令、数据文件、数据结构或其组合。记录在计算机可读介质上的程序指令可以针对本公开的示例性实施方式进行设计和配置或者可以是公知的，并且该程序指令对于计算机软件领域的技术人员是可得到的。
计算机可读介质的示例可以包括含有ROM、RAM和闪速存储器的硬件装置，该硬件装置被配置为存储和执行程序指令。程序指令的示例包括由例如编译器制成的机器代码以及可由计算机使用解释器执行的高级语言代码。上述示例性硬件装置可以被配置为作为至少一个软件模块进行操作，以执行本公开的操作，反之亦然。
虽然已经在设备的上下文中描述了本公开的一些方面，但是这也可以表示根据对应的方法的描述，其中，块体或设备对应于方法步骤或方法步骤的特征。类似地，在方法的上下文中描述的方面也可以由对应的块体或项目或对应的装置的特征来表示。例如，方法步骤中的一些或全部可以由(或使用)诸如微处理器、可编程计算机或电子电路的硬件装置执行。在各种示例性实施方式中，最重要的方法步骤中的一个或多个可以由此类设备执行。
在实施方式中，可以使用可编程逻辑器件(例如，现场可编程门阵列(FPGA))来执行本文描述的方法的一些或全部功能。在实施方式中，FPGA可以与微处理器一起操作，以执行本文所描述的一种方法。通常，这些方法优选地由一些硬件装置执行。
为了便于在所附权利要求中说明和精确定义，术语“上部”、“下部”、“内部”、“外部”、“上”、“下”、“向上”、“向下”、“前”、“后”、“背面”、“在...内部”、“在...外部”、“向内”、“向外”、“内部”、“外部”、“内部的”、“外部的”、“向前”以及“向后”用于参考图中所示的此类特征的位置来描述示例性实施方式的特征。
已经出于说明和描述的目的呈现了本公开的具体实施方式的上述描述。这些描述并不旨在穷举或将本公开限于所公开的精确形式，并且显然，根据上述教导，许多修改和变化是可行的。选择并描述了实施方式，以解释本公开的某些原理及其实际应用，以使本领域的技术人员能够构成并利用本公开的各种实施方式及其各种替代和修改。本公开的范围旨在由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (14)

1.一种用于检测用于无线电力传输的发送垫与接收垫之间的异物的方法，所述方法包括以下步骤：
由处理器对包括在或连接到所述发送垫的电力传输转换器执行零相位角控制；
由所述处理器检测所述电力传输转换器的输入电流与输入电压之间的相位差；
获得检测所述相位差时其间所述输入电流与所述输入电压具有不同极性的时间间隔的长度；
将使用所述时间间隔的长度所获得的所述相位差与参考值进行比较；以及
由所述处理器通过将所述相位差与所述参考值进行比较来确定所述发送垫与所述接收垫之间是否存在所述异物。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，比较和确定的步骤进一步包括：
将其间所述输入电流和所述输入电压具有不同极性的所述时间间隔的长度与第一参考值进行比较；以及
当所述时间间隔的长度超过所述第一参考值时，确定所述发送垫与所述接收垫之间存在所述异物。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，比较和确定的步骤进一步包括：
将其间所述输入电流和所述输入电压具有相同极性的所述时间间隔的长度与第二参考值进行比较；以及
当所述时间间隔的长度小于所述第二参考值时，确定所述发送垫与所述接收垫之间存在所述异物。
4.根据权利要求1所述的方法，当对所述电力传输转换器执行所述零相位角控制并且所述发送垫与所述接收垫之间不存在所述异物时，其间所述输入电流和所述输入电压具有不同极性的时间间隔的长度的值变为零。
5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：当所述发送垫与所述接收垫之间存在所述异物时由所述处理器控制所述电力传输转换器停止所述无线电力传输。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述零相位角控制允许所述电力传输转换器的所述输入电压和所述输入电流同相并且通过所述零相位角控制初始地设置所述电力传输转换器的正常状态。
7.一种无线电力传输控制装置，包括存储器和至少一个处理器，所述存储器存储由所述至少一个处理器执行的至少一个指令，其中，所述至少一个指令使得所述至少一个处理器执行以下操作：
对包括在或连接到用于无线电力传输的发送垫的电力传输转换器执行零相位角控制；
检测所述电力传输转换器的输入电流与输入电压之间的相位差；
获得检测所述相位差时其间所述输入电流与所述输入电压具有不同极性的时间间隔的长度；
将使用所述时间间隔的长度所获得的所述相位差与参考值进行比较；以及
通过将所述相位差与所述参考值进行比较来确定用于所述无线电力传输的所述发送垫与接收垫之间是否存在异物。
8.根据权利要求7所述的无线电力传输控制装置，其中，将其间所述输入电流和所述输入电压具有不同极性的所述时间间隔的长度与第一参考值进行比较，并且
当所述时间间隔的长度超过所述第一参考值时，所述发送垫与所述接收垫之间存在所述异物。
9.根据权利要求8所述的无线电力传输控制装置，其中，将其间所述输入电流和所述输入电压具有相同极性的所述时间间隔的长度与第二参考值进行比较，并且
当所述时间间隔的长度小于所述第二参考值时，所述发送垫与所述接收垫之间存在所述异物。
10.根据权利要求7所述的无线电力传输控制装置，当对所述电力传输转换器执行所述零相位角控制并且所述发送垫与所述接收垫之间不存在所述异物时，其间所述输入电流和所述输入电压具有不同极性的时间间隔的长度的值变为零。
11.根据权利要求7所述的无线电力传输控制装置，其中，所述至少一个处理器进一步被配置为：当所述发送垫与所述接收垫之间存在所述异物时控制所述电力传输转换器停止所述无线电力传输。
12.一种无线电力传输装置，包括：
电力传输转换器，包括在或者连接到用于无线电力传输的发送垫，所述电力传输转换器通过感应电力传输将输入电压转换为输出电压并且输出所述输出电压；
至少一个处理器；以及
存储器，存储由至少一个所述处理器执行的至少一个指令，
其中，所述至少一个指令被配置为：
对所述电力传输转换器执行零相位角控制；
检测所述电力传输转换器的输入电流与输入电压之间的相位差；
获得检测所述相位差时其间所述输入电流与所述输入电压具有不同极性的时间间隔的长度；
将使用所述时间间隔的长度所获得的所述相位差与参考值进行比较；并且
通过将所述相位差与参考值进行比较来确定用于所述无线电力传输的所述发送垫与接收垫之间是否存在异物。
13.根据权利要求12所述的无线电力传输装置，其中，将其间所述输入电流和所述输入电压具有不同极性的所述时间间隔的长度与第一参考值进行比较；并且
当所述时间间隔的长度超过所述第一参考值时，所述发送垫与所述接收垫之间存在所述异物。
14.根据权利要求13所述的无线电力传输装置，其中，将其间所述输入电流和所述输入电压具有相同的极性的所述时间间隔的长度与第二参考值进行比较；并且
当所述时间间隔的长度小于所述第二参考值时，所述发送垫与所述接收垫之间存在所述异物。
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